1.3Газообразное топливо

В Российской Федерации сосредоточено более 30% мировых запасов природного газа, а доля РФ в мировой добыче – более 27% и по расчетам в ближайшем будущем достигнет примерно 1000 млрд м³ в год. Основным топливом является природный (естественный) газ, компонентами которого главным образом являются парафиновые углеводороды. Состав природного газа зависит от типа месторождения: чисто газовое (СН₄ – 95%, С₂Н₆ – 0,5%, С₃Н₈ и выше – 0,5%, С0₂ – 1,1%, N₂ – 3%), газоконденсатное (СН₄ ≈ 84%, С₂Н_б ≈ 4%, С₃Н₈ и выше примерно 5%; С0₂ ≈ 1,4%, Н₂ ≈ 3%, N₂≈3%), нефтяное – попутный газ (СН₄≈42%, С₂Н_б≈21%, С₃Н₈ примерно 30%, N₂ ≈ 7%).

Природный газ используют в сжатом и сжиженном виде (табл. 7). В качестве топлива используют также сжиженный пропан-бутановый газ (нефтяной) являющийся попутным продуктом нефтепереработки и находящийся при атмосферных условиях в жидком состоянии.

Единым нормативным документом на основные показатели газомоторного топлива является ГОСТ 27577-87, а также технические условия ТУ 38001302-87 на сжиженный газ. ВНИИГАЗ разработал ГОСТ «Газ природный топливный компримированный для двигателей внутреннего сгорания», где нормированы следующие показатели:

объемная теплота сгорания (низшая), кДж/м³ ………3180...3600

относительная плотность (к воздуху) ………………. 0,56...0,62

октановое число (ОЧ), не менее …………………...…105

По эксплуатационным свойствам природный газ может заменять даже высокооктановые бензины. Кроме того, существенно снижается эмиссия токсических выбросов с ОГ.

Недостатками газовых топлив являются: некоторое снижение (в отдельных случаях) мощности двигателей; затрудненный запуск при низких температурах; низкая объемная теплота сгорания и меньшая дальность пробега между заправками; замерзание рабочих узлов аппаратуры; повышенная пожаро-взрывоопасность и др. Примерный состав (в % по объему) ряда газовых топлив и их эксплуатационные показатели даны в табл. 7.

Таблица 7 – Важнейшие физико-химические свойства современных перспективных топлив	Гидрид Mg2NlHx	1,76	-	-	-	2030	3440	132 233 284		Нормальные	0,5***	14,4	7,2	* В сжатом виде. ** Получение из нефти прямой перегонкой. *** Получение конверсией угля в жидкое топливо и газ. **** Получение конверсией угля п синтез-газ. **** Оценка по теплоте образования и КПД получения водорода.
	Аммиак (жидкий)	0.71	-33,3	-77,7	327	4087	2779,2	164 127 152	20	1,4 МПа/38° С	04*****	9,4	3,8
	Этанол	0,79	78,37	-114,6	214	5962	4769,6	110 88107	1000	Нормальные	0,75***	10,3	7,7
	Метанол	0,79	64,7	-97,8	263	4708	3743	147 117 141	5,0	Нормальные	0,66***	12,1	8,0
	Водород (жидкий)	0,07	-252,8	-259,1	107	28 160	1998,5	275 19,5 136	-	253 °С	0,5***	10,2	5,1
	Сжиженный газ	0,532	-42	-187	92,8	10 900	5 800	100 51,1 85	800	1,4 МПа/38° С	0,5***	10,7	5,4
	Природный газ	0,68·10-3	-162	-182	-	11703	8,192	415* 37,2* 500	-	Нормальные	1,0	9,9	9,9
	Бензин	0,7-0,8	35÷195	-(60-80)	69-73	10118	8410	76 53,1 68	100	Нормальные	0,83**	9,4	7,8
	Характеристики	Плотность при 15° С, г/см	Температура кипения, 0 С	Температура застывания, 0С	Теплота испарения, ккал/кг	Энергоемкость с учетом диссоциации, ккал/кг	Энергоплотность с учетом диссоциации, ккал/л	Энергоэквивалент 76 л бензина: объем топлива, л масса топлива, кг масса топлива и бака, кг	ПДК паров, мг/мг3	Условия храпения	КПД получения топлива	КПД использования топлива, %	Общий КПД топлива, %

Природный газ имеет минимальные значения кажущейся молекулярной массы µ и плотности , причем значения этих параметров меньше, чем у воздуха. Данными особенностями определяется в целом малая взрывоопасность природного газа, в частности, по сравнению со сжиженным (пропанобутановым) газом и даже с бензином [25].

Огромные запасы природного горючего газа в мире выдвигают проблему возможности использования его в качестве топлива в транспортных установках ДВС в том числе в судовых установках. Опыт эксплуатации показывает, что при работе на природном газе срок службы двигателя возрастает. Это обусловлено следующим:

1) при оптимальном составе рабочей газовой смеси процесс сгорания смеси в цилиндре двигателя протекает с малой скоростью нарастания давления;

2) при работе на газе не возникает нагарообразования на дизелях цилиндропоршневой группы;

3) в природном газе отсутствуют абразивные и сернистые соединения;

4) отсутствует непосредственное воздействие топлива на свойства смазочного масла, подаваемого на стенки цилиндра.

Природный газ состоит преимущественно из метана.

В последние годы началось строительство газотанкеров – судов для перевозки сжиженного природного газа при низкой температуре (-162° С). Новым и перспективным направлением применения газовых двигателей является их установка в качестве главных и вспомогательных двигателей на газотанкерах. При этом газ может быть использован в качестве топлива для газовых двигателей судна.

Однако перевод транспорта на природный газ связан с решением сложных задач, наиболее значимыми из которых являются:

- серийное производство газобаллонных средств;

- организация широко разветвленной сети заправочных станций;

- организация производства надежного и недорогого оборудования для газобаллонных ДВС;

- создание сервисной службы для обслуживания газобаллонных;

- подготовка кадров и т.д.

Решение этих задач возможно при условии принятия соответствующих решений как федеральными, так и местными государственными органами.

Постоянно увеличивающееся применение таких топлив (назовем их перспективными топливами) связано как с удорожанием добычи нефти и истощением ее ресурсов, так и с ужесточающимися требованиями к показателям качества топлив. Дело в том, что совершенствование рабочего процесса и конструкции двигателей ведет к тому, что свойства топлив все в большей степени становятся «лимитирующим» фактором для выполнения жестких требований, предъявляемых к токсичности ОГ.

Согласно большинству прогнозов наряду с топливами из нефти в ПДВС во все возрастающем объеме будут использовать газовые топлива, искусственные (синтетические) топлива из угля и природного газа, эфиры растительных масел, низшие спирты и их эфиры и др. Вместе с тем доведение показателей качества искусственных топлив до уровня современных товарных топлив из нефти связано со значительным увеличением себестоимости производства. Поэтому при выборе перспективного топлива необходим компромисс между оптимизацией топлив по показателям качества как с точки зрения эффективности производства, так и с точки зрения эффективности их использования в двигателях с учетом более жестких ограничений по экологическим характеристикам.

Наиболее вероятно, что перспективные нефтяные топлива будут представлять собой углеводородную основу (производимую из нефти, угля, газа или растительного сырья) с добавлением различных компонентов (эфиры, спирты, специальные присадки и др.), обеспечивающих заданные показатели этих топлив.

Альтернативные топлива включают однокомпонентные топлива и топливные смеси. В первом случае топливо представляет собой компонентное целое с определенными физико-химическими и эксплуатационными свойствами, позволяющими осуществить его подачу с помощью обычной топливной аппаратуры – газовой или жидкостной. Эти топлива характеризуются более широкой сырьевой базой, а также улучшенными токсическими характеристиками и, в некоторых случаях, экономичностью процесса энергоиспользования в сравнении с обычным нефтяным топливом. Они могут использоваться в современных ДВС без их значительной модификации.

Топливные смеси представляют собой композиции, включающие традиционное топливо с добавкой одного или нескольких компонентов, улучшающих его энергоэкологические показатели. Это позволяет несколько расширить сырьевую базу энергоснабжения и, кроме того, улучшить токсические характеристики и топливную экономичность двигателей. По сравнению с однокомпонентными топливами их добавки являются частичным решением, которое, однако, может быть реализовано в ближайшее время на существующей технологической базе. Для использования некоторых топливных смесей, в частности двухфазных, требуется определенное усложнение топливной аппаратуры.

В число однокомпонентных альтернативных топлив входят:

1) углеводородные газы естественного происхождения - природные и сжиженные газы, а также метан. Эти топлива, некоторые из которых уже широко используются, позволяют расширить энергетическую базу двигателей и вместе с тем улучшить их токсические характеристики;

2) синтетические топлива (водород, различные спирты и аммиак), получаемые современными методами на базе различных компонентов горючих ископаемых;

3) продукты переработки масленичных культур (соевые масла, подсолнечные, рапсовые, хлопковые и др.). Эти масла перерабатываются в соответствующие эфиры, которые добавляют в нефтяные жидкие топлива, существенно улучшая их экологические характеристики, соответствующие нормам от ЕВРО-2 до ЕВРО-6.

Из топливных смесей для двигателей интерес представляют:

- смеси топлив с синтетическими спиртами и различными высокоэнергетическими и антидетонационными компонентами;

- водотопливные смеси в виде эмульсий различного типа, позволяющие уменьшить содержание окислов азота в отработавших газах. Применение некоторых эмульсий (типа «вода - масло») способствует улучшению сгорания топлива и некоторому повышению экономичности;

- продукты конверсии топлива, использующиеся в качестве добавок к топливу. Благодаря высоким технико-экономическим и энергетическим показателям частичная конверсия топлива – один из наиболее перспективных методов улучшения характеристик современных ДВС;

- добавки водорода к топливам, позволяющие радикально улучшить состав отработавших газов.